用于机械加工浮雕的方法与流程

本发明涉及浮雕（relief）模型的机械加工。

背景技术：

浮雕模型在现有技术中是已知的。例如，我们知道地图浮雕模型，所述地图浮雕模型以微型方式并且以三维方式表示大陆、国家、地区、区域、山脉、公园、山谷、城市或至少5平方公里的另一地理区域。

此类模型通常由木材或塑料制成，并且装饰例如艺术空间、酒店大堂、小木屋、游客办公室接待区域等。由旅行者使用地形模型，以通过比观察简单的纸质或电子地图好得多地考虑地势的方式来计划或报告短途旅行或徒步旅行。

模型还用于以微型方式表示具有精细的并且通常随机的结构的其它类型的浮雕。例如，植物浮雕模型用于表示树叶的叶脉（nervure）。动物浮雕模型例如用于示出蜥蜴的皮肤的结构或动物或人类的其它解剖学细节。此类植物或动物浮雕模型特别是用于教学或简单的艺术表示。应注意，浮雕模型可以在比例上放大（强调利用肉眼难以看到的小细节）或缩小（强调利用肉眼难以涵盖的细节）。

浮雕模型的减材或增材机械加工涉及从x、y、z坐标点集计算机械加工工具和/或打印头轨迹。这些坐标点通常从配备有扫描激光的卫星或飞机（地图数据）或从来自显微镜的散点图（植物或动物表面）获得。

然而，总体上，被实施用于制造此类模型浮雕的减材制造技术（即，通过利用切削工具移除材料）限制所述模型浮雕的分辨率和可被包括的信息量。例如，我们知道瑞士或高山艺术的木制或塑料模型，其中对于呈现整个瑞士的模型，最小分辨率对应于1公里。这些模型允许观察主要的山，但是不允许详细地计划短途旅行。

通过增材制造例如借助于3d打印机而制成的模型也是已知的。此处同样，分辨率受到限制。

模型的分辨率首先由工具的尺寸和强度限制。例如，在减材制造中，刀具（fraise）或其它切削工具的尺寸必须足以避免损坏的风险，这降低机械加工速度并且可能会损伤待机械加工的表面。因此，具有高分辨率的单次通过式（unseulpassage）机械加工在技术上是不切实际的，因为获得相关结果要求相对小的工具。

为了利用足够尺寸的工具以高分辨率机械加工，在现有技术中，xyz点云通常以表面的形式被记录（transcrit）。此步骤通常涉及插值，以产生表面集（例如，nurbs“非均匀有理b样条”表面）。这导致平滑的但是考虑每个点的位置的表面，控制工具的数字控制机床可解读所述点的位置，以便由于转换程序（cam，计算机辅助制造）而确定更大的工具可机械加工的轨迹。

然而，轨迹计算的这种普通的方法在制造高分辨率浮雕模型的情况下面临困难。以10米的分辨率对国家（例如，瑞士）绘制地图通常涉及具有数亿个xyz坐标点的散点图。即使非常强大的具有大ram的计算机也被此任务量级压垮，并且无法计算由软件所要求的表面，所述软件产生能够被cnc或3d打印机理解的代码。

为了解决此问题，能够设想通过以下来将所述问题分解成子问题：以马赛克的方式将模型分割成其表面被单独地计算的部分。然而，此方法具有的缺点是产生插值表面，所述插值表面在两个部分之间的接合部处具有不连续性。模型而后呈现呈有害的接合线的形式的失真（artefact），其难以被修整，并且无法在不损害模型的准确性的情况下被删除。

用于在若干阶段中机械加工部件的方法也是已知的，其中分辨率在每个步骤中增加。例如，us2002/161469描述了用于根据散点图机械加工地形模型的方法。机械加工包括第一粗糙机械加工阶段和第二精细机械加工阶段。所述两个阶段从三维网格获得，所述三维网格本身从呈3d点、3d轮廓或纸轮廓的形式的地形数据获得。网格数据而后被转换成一系列平行平面上的轮廓，所述轮廓对应于相继的机械加工线。因此，在第一步骤期间和第二步骤期间两者，仅通过在平行的线上插值来计算机械加工点。此线性插值产生失真问题，特别是在邻近的线上两个相邻点之间的高度中存在显著差异的情况下。附加地，当分辨率高时，插值即使被限制到线也要求计算能力和相当大的存储。

wo99/01854描述了用于机械加工地形模型的另一方法，该方法包括获取点云，并且而后通过滤波、缩放或添加数据来处理此散点图。机械加工在单次通过中进行，这将折衷性强加在机械加工工具上：必须既移除大体积的材料，又具有尽可能最高的分辨率。

huyn等人在“theinternationaljournalofadvancedmanufacturingtechnology”（“先进制造技术国际期刊”）第15卷，第9号，1999年1月1日的第一部分“roughmachining”（“粗糙机械加工”）第624-629页、第二部分“finishmachining”（“精加工机械加工”）第630-639页中发表了题为“implementationofarobotsystemforsculpturedsurfacecutting”(“用于雕刻表面切削的机器人系统的实施”)的两部分文章。两部分机械加工解决了上文提到的问题中的一些。然而，计算用于第一部分的插值点仍要求相当大的计算能力。

因此，本发明的目的是提供克服上文提到的缺点的方法。

技术实现要素：

为此目的，本发明涉及用于以高分辨力机械加工浮雕模型的方法，所述方法包括以下步骤：

1.获得表示浮雕的至少五百万个点的第一点集，每个点对应于三维坐标（xyz）；

2.对所述点集采样，从而获得第二点集，第二点集比第一点集包括更少的点；

3.根据第二点集计算表面，例如，计算nurbs表面；

4.根据所述表面产生模型的粗糙草图（sketch）；

5.通过遵循在第一点集的点之间或在第一点集的标准化点之间的工具路径来利用精加工工具对粗加工件进行精加工。

此方法具有的优点是，不要求同时管理高分辨力的浮雕的表示的所有点。

此方法使得有可能省去对于从第一点集计算表面来说所必要的计算能力。因此，对于模型的分辨率不存在计算机限制，唯一的限制是生产时间和粗加工与精加工工具之间的相对能力。

此方法还具有的优点是，保持由第一点集给定的分辨率，所述分辨率被应用到精加工。

在可选的标准化之后，第一非下采样（sous-échantillonné）子集中的点被直接应用到工具，而没有插值步骤。因此，所述点能够以流被直接地传输到机械加工工具。

因此，计算精加工工具的位移是相对简单的，因为它并不隐含着表面的插值。第一点集的相继的点之间的轨迹可被相继地计算。

第一点集的点可被排序，以便以考虑精加工工具的能力的顺序穿越待机械加工的表面。

可使用第一刀具（所谓的粗糙刀具）、通过控制所述粗糙刀具从所述表面的移动而机械加工粗糙预制件。

可通过保持额外的厚度（在减材制造中）或亚厚度（在增材制造中）来执行模型的粗加工，从而允许在精加工步骤期间移除或添加附加的材料。

精加工工具的尺寸足够精细以允许在第一点集的点上直接机械加工，而没有通常由cam程序计算的偏移。

可通过在第一点集中每n个点选择一个点（例如，每10个点选出一个点，或每100个点选出一个点）并且消除其它点来进行采样。n有利地在10与10,000之间。此采样方法具有计算速度的优点。

可通过这样来执行采样：对每次采样中所考虑的n个点的xy坐标位置求平均，并且将高度z（所述高度z对应于采样中所考虑的点的高度z的最高点）分配到样本。此变式具有的优点是，降低产生高度过低（或过高）的xy点的粗加工件的风险，高度过低（或过高）不再能够通过精加工进行校正。

采样可包括低通空间滤波步骤。例如，可通过对每次采样中考虑的n个点的坐标位置求平均来进行采样，n有利地在10与10,000之间。因此，每个样本的高度值z取决于若干点的值。

采样可包括利用采样核的卷积步骤。可考虑到地形（例如，空间带宽）的特性和/或用于粗加工的工具的特性来选择用于核的卷积函数，从而允许以比通过从每n个点中选择一个点而获得相同的保真度所要求的点的数量更有限的数量的点来重建真实的预制件。在一个实施例中，卷积函数是sin（x)/x的类型。

可通过遵循从第一点集获得的标准化点之间的工具路径来获得预制件的精加工。

第一点集的点可被标准化。

点的标准化可包括所述点的位置的量子化（quantification）。例如，标准化可包括确定xy网格上的规则间隔的坐标点，其中高度z由量子化的离散值表示。

精加工工具的轨迹可通过顺序地遵循此标准化网格（即，通过在相同方向或交替方向上逐一遵循网格的行或列）而产生。

对于第一点集不包含值的网格的xy交叉部，标准化可涉及一个或更多个点坐标插值计算，以确定该网格的xy交叉部上的点的高度z。

标准化可涉及低通滤波，例如，以略微缓和高度中的大的变化，并且以降低精加工工具损坏的风险。

第一点集的点可对应于地形数据，例如，对应于墨卡托投影。标准化可包括将这些地形数据投影到球体上以产生再现地球弯曲的模型的步骤。

所述方法可包括对第一点集的所述标准化点进行分拣从而限定工具路径的步骤。

可校正被计算用于粗糙粗加工和/或精细粗加工的表面，从而升高所述表面的高度z。平均高度于是比对应于正确的地形轮廓的平均高度更高。这允许在精加工期间移除多余的材料，并且降低在粗加工期间移除顶峰部的风险。

可使用3轴线机械加工来执行粗糙粗加工。三个轴线的使用对于几乎所有的地形轮廓来说是足够的，为此每个xy坐标点通常具有单个高度。

可借助于3轴线机械加工和精细铣刀来执行精细粗加工。

可借助于3轴线机械加工来执行精加工。

可通过使用经历磨损的工具进行机械加工来执行精加工，在此情况下，所述过程包括周期性地修整工具（切削工具的锐化、打印头的更换）的步骤。

本发明还涉及通过上文描述的方法获得的地图模型。

本发明特别地涉及软材料（例如，木材）的模型。

本发明还涉及计算机数据载体，所述计算机数据载体包括至少5百万个点的点集，每个点对应于三维坐标（xyz），其被量子化和标准化，从而确保x轴线和y轴线上的点之间的规则的距离，所述计算机数据载体旨在在上文描述的方法的精加工步骤中实施。

本发明还涉及计算机数据载体，所述计算机数据载体包括对应于地形浮雕的表面集，所述表面的高度被偏移，从而允许地形模型预制件的机械加工，所述预制件具有允许精加工的多余材料。

有利地，所述模型表示以下元素中的至少一者：

-地理区域，例如大陆、国家、城市、地区、区域、村庄、公园、山、山谷或类似物；

-动物或植物或其部分。

附图说明

本发明的其它细节将在以下参考附图的描述中显得更加清楚，附图显示：

图1：根据本发明的系统；

图2是示出被设计在本发明中使用的地图模型的制造方法的流程图；

图3：用作用于地图模型的基础的散点图数据集的表示；

图4a和4b：关于机械加工工具的尖端的直径的限制的表示；

图5a和5b：精加工工具和对应的精加工工具的路径的二维图示；

图6a：基底、粗加工工具和对应的粗加工工具的路径的视图；

图6b：粗加工之后的基底的视图；

图6c：精加工机械加工之后的基底的一部分的三维视图，具有精加工工具路径；

图7a-d：用于从点云产生工具轨迹的直接后处理器的操作的示意性表示；

图8：示出在根据本发明的机械加工步骤之前处理点云的方法的示意性表示。

具体实施方式

我们现在将描述以示例的方式利用地图模型而示出的本发明的实施例。

图1示出根据本发明的系统1。系统1包括多媒体电子装置3，例如，“智能手机”、平板或类似物，所述多媒体电子装置3被提供有在其第一侧上的相机5（在图1中由表示其视野的虚线示意性地显示）和在其第二侧上的显示屏幕7。

如总体上已知的，此类多媒体电子装置3还包括处理器、以及被包含在其中的计算机可读存储介质。这最后两个元件如传统的那样被包含在装置3中，并且未示出。计算机可读存储介质包含被存储在其上的计算机程序产品（通俗地被称为“应用程序”），所述计算机程序产品包括用于执行下文描述的方法的计算机可执行指令。多媒体电子装置3将通常由用户本身提供，但是不需要一定是这种情况。

系统1还包括地图模型9，所述地图模型9表示最初借助于散点图限定的地理地域的一部分。在图1的情况下，模型9的主题是瑞士的地形，并且因此是呈浮雕的地图。地图模型9通过使用高分辨率数字控制（cnc）机床进行机械加工而由塑料、金属、木材或类似材料的基底制造。

替代地，注射成型或压铸模具的cnc机械加工也是可能的，之后由适合于生产地图模型9的塑料或轻金属进行注射成型、浇铸成型、吹塑成型也是可能的，在此情况下，基底45于是为模具的基部。

如上文提到的，在图1中，地图模型9表示瑞士的地形。它显然可以以适当的比例表示任何尺寸的任何地理区域（国家、区域、州、自治市、街道、或甚至公园或类似的小区域）。

地图模型9可被保留成无色的，或可被着色、涂覆或具有在其上提供的信息。

此系统允许用户利用多媒体电子装置查看在此示例中表示瑞士的地形的模型9。对应的地图信息与装置的屏幕上的模型9的图像组合。因此，地图模型9的渲染体验利用其它信息得到增强，而不妨碍模型9本身。

为了使电子装置能够辨别模型9的足够的细节从而正确地分析模型9的图像的位置、角度和再构造，使得可正确地执行所述过程，模型9（或在模制模型的情况下，其模具）必须被机械加工到足够的细节程度，如将在下文描述的。特别地，机械加工方式（并且特别是工具的轨迹的计算）确保边缘的确切和精确的表示，所述边缘用于识别如由电子装置3捕获的地图模型9的角度和定向。

地图模型9从第一点集（“点云”）得到确定。

此类点云40在步骤30中提供，并且其示例在图3中显示，图3表示处于给定的分辨率的瑞士的地形地图的散点图。点云中的每个点40a包括关于沿着三个垂直轴线x、y和z测量的点的空间信息，其中x和y是在水平平面中的轴线，并且z是竖直轴线。在地形地图的情况下，它们通常分别以经度（x）、纬度（y）和高度（z）表示。通过首先根据上升的x值分拣，而后根据上升或下降的y值分拣（或反之亦然），可在xy平面中分拣所述点，从而将它们以二维布置在xy平面中。

在步骤31和32中，点云40被直接转换为沿着相同的x、y和z轴线的运动指令，同样，x和y在水平平面中，并且z是竖直轴线。这些运动指令简单地是空间中这样的点的坐标：精加工工具42的尖端必须穿过所述点。

这些运动指令由所谓的直接后处理器计算，所述直接后处理器是在计算机上运行的一段软件。此直接后处理器的操作在图7a-图7d中示出。此直接后处理器首先获取点云40（所述点云40如在图7a中示出的，并且可由多个更小的文件成组在一起，所述多个更小的文件中的每个表示地图模型9的主题的一部分），而后取决于待形成的此模型9的尺寸并且参考用于cnc机床的适当的参考点而将数据缩放到所要求的比例。在此时，也可发生单位转换（例如，经度/纬度转换为毫米或微米）。这在图7b中显示，所述图7b显示在xy平面中叠加在所期望的分辨率的网格40b上的各个数据点40a。

在步骤31中，通过修改每个数据点40a的x和y值从而对应于网格40b的交叉部，使数据点40a相对于网格40b标准化。任何多余的点（例如，其中网格的所有交叉部已经被占据的中间点）都可被删除（如由“x”表示的），或也可与在网格的交叉部处的另一点或多个点合并（例如，通过对这些点求平均）。此外，所有未被占据的网格交叉部可例如通过相邻点的插值来填充，或简单地被保留为空。所得到的标准化网格点40c在图7c中显示，其中来自40d的填充数据由空心圆圈而不是黑点来表示。

因此，标准化涉及xy位置的量子化（以将所述xy位置与离散网格位置对准）和由离散值表示的高度z的量子化。标准化还可涉及低通滤波。

根据需要，还可添加标头区块（blocd'en-tête）43a以初始化数字控制机床，并且可添加标尾区块（blocdebasdepage）43b以完成机械加工。

在其中点云40已经被划成网格的情况下，由直接后处理器执行的标准化可简单地将点云缩放到所期望的分辨率。

由于需要处理大量数据，可使用平行处理。

在步骤34中，选择粗加工工具以有效地在基底中进行第一切削，以防止精加工工具切削得过深并且移除过多的材料，切削得过深并且移除过多的材料将导致工具的过多磨损、过多的碎屑形成和在精加工工具42上的高应力以及如此高的工具失效风险。在步骤35中，对点云（“第一点集”）采样，以便减少点的数量并且以允许从减少数量的点开始对模型粗加工。因此，采样产生第二点集。在一个实施例中，第二点集的点的数量通过采样而减少到1/n，其中n大于100。

可通过在第一点集中从每n个点中选择一个点（例如，从每100个点中选择一个点，或从每1000个点中选择一个点）并且消除其它点而进行采样。n有利地在100与10,000之间。此采样方法具有计算速度的优点。

可通过如下来执行采样：对每次采样中所考虑的n个点的xy坐标位置求平均，并且将高度z（所述高度z对应于采样中所考虑的点的高度z的最高点）分配到样本。此变式具有的优点是降低产生高度过低的xy点的预制件的风险，高度过低不再能够通过减材精加工进行校正。

采样可包括低通空间滤波步骤。例如，可通过对每次采样中所考虑的n个点的坐标位置求平均来执行采样，其中n有利地在100与10,000之间。因此，每个样本的高度值z取决于若干点的值。

采样可包括利用采样核的卷积步骤。可考虑到地形（例如，空间带宽）的特性和/或用于粗加工的工具的特性来选择用于核的卷积函数，从而允许以比通过在每n个点中选择一个点而获得相同的保真度所要求的点的数量更有限的数量的点来重建真实的预制件。在一个实施例中，卷积函数是sin（x)/x的类型。

步骤35而后包括根据第二点集计算nurbs表面的步骤。由于点的数量的减少，因此使得有可能在计算机或标准工作站上进行此计算。这些nurbs表面而后可被直接传输到粗糙粗加工工具（例如，具有粗糙铣刀的三轴线铣床）的cnc控制。

可将具有第二更精细的铣刀的第二精细粗加工步骤置于顺序中（miseenordre），以便产生更好分辨率的粗加工。此精细粗加工可在已经计算的nurbs表面或从散点图的采样集确定的其它nurbs表面的基础上进行。

因此，机械加工包括基于nurbs表面的粗糙粗加工步骤37（并且可能地包括精细粗加工步骤）。

粗加工工具44具有比精加工工具42的切削直径更大的切削直径，并且用于从其中模型（或其模具）9被机械加工的基底45充分地移除多余材料，从而留下足够的材料以进行高质量的精加工切削，但是不至于使精加工工具42过度地应变。

而后，机械加工包括精加工步骤38，精加工步骤38是在第一点集的点之间或第一点集的标准化点之间的运动指令的基础上的。为此目的，通过根据如在图4d中示出的前后扫描操作（一系列机械加工的通过，首先在一个方向上并且而后针对后续的行在相反方向上）而读取标准化网格点40c的每行，可在标准化网格点40c上直接读取工具路径43，而没有其它的计算。替代地，可通过以在相同方向上读取每行的方式读取网格数据而产生栅格扫描式样，尽管这在机械加工时间方面效率更低，这是由于将工具42移动到下一个切削操作的起始所要求的时间而造成的。在缺少数据点的情况下，如果填充尚未完成，则指令简单地前进到序列中被填充网格的下一个交叉部。

与限定表面并计算利用给定工具形状形成这些表面所要求的工具移动的传统方法相比，直接后处理器方法最好与其尖端足够小的工具一起使用，使得由精加工工具42的形状导致的机械加工误差减少到最小，这在步骤33中进行。此原理在图4a和4b中示出。这些图示出由标准化数据的网格点40c形成的机械加工路径43。图4a示出利用过大直径的精加工工具42进行切削所得到的轮廓43c。如可清楚地看到的，此轮廓43与由第一点集的点确定的轨迹43显著不同。特别地，工具42的端部的大直径导致与浮雕的最陡侧的碰撞，并且例如阻碍在竖直峭壁部的底部处机械加工窄孔或直角。

因此，精加工工具的尺寸必须足够精细以允许机械加工在第一点集的点上直接通过，而没有通常由cam程序计算的半径的偏移。图4b示出精加工工具42，所述精加工工具42的尖端的直径足够小，使得被精加工的轮廓相对于机械加工路径43在能够接受的公差内。

然而，过薄的工具可能会经常损坏；另一方面，工具的端部的弯曲过于明显，导致沟槽的机械加工在表面上形成可见的脊部和肋部。因此有利的是，使用其在端部处的直径大于第一点集的两个点之间的间距的精加工工具，使得凹槽重叠，从而避免在两个凹槽之间留下肋部。最佳结果是利用这样的精加工工具直径获得的：该直径在第一点集的点之间的间距的2-10倍之间。

在实践中，对于宽度为若干米的非常大的模型9，其尖端具有2mm直径的精加工工具可为足够的。对于更小的模型，精加工工具的0.05mm的最大尖端直径在实践中为如上文描述的多媒体电子装置3中所要求的图像处理提供足够的细节水平。此外，由这些尺寸的工具提供的分辨率水平和因此的细节水平是足够的，使得可在多媒体电子装置的相机上使用有用的变焦程度。原则上，精加工工具的尖端越小，模型9的准确性和分辨率就越高；然而，所要求的机械加工时间越长，工具磨损的管理就越复杂，并且所需要的网格分辨率就越大。在步骤32中，为此目的选择合适的精加工工具。

精加工工具的路径43还在图6c中以三维视图示出。精加工工具42在图5a和5b中被示出为锥形工具。当然，其它的工具形式（柱形、球体、环面体......）也是可能的。

精加工工具的尺寸足够精细以允许在第一点集的点上直接机械加工，而没有通常由cam程序计算的偏移。

在一个实施例中，精加工工具42安装在6轴线机器人上以改进模型9的准确性和分辨率。以此方式，精加工工具42的角度可被调整，使得精加工工具42的轴线总是垂直于机械加工路径43。利用三轴线铣床的机械加工也可被实施用于更快的处理时间。

与基于标准形状与标准工具运动（弧形、直线、样条等）的组合的传统cnc机械加工相比，本发明提供具有的细节多得多的可能性，并且因此提供模型9所基于的形状的更精确的再现。

图6b示出粗加工之后的基底45，并且图6c示出沿着精加工工具43的路径进行精加工操作从而产生模型9（或其模具）之后的基底。

尽管使用如上文描述的直接后处理器可能会导致产生大量冗余点。例如，湖的表面可被描述为平坦表面，并且因此可利用传统cnc操作而被更有效地限定。其不导致能够被描述并且因此被准确地机械加工的任何不规则的表面。

有利地，参考图8，通过激光54、扫描电子显微镜、共聚焦或对本领域技术人员来说众所周知的任何合适的装置测量的、表示物体的表面上的点的点云由上文描述的直接后处理器连续地发送并且处理，并且经处理的点云被连续地发送到cnc55，所述cnc55将所述点云连续地转换为指令以用于使精加工工具42的尖端沿着轴线移动。因此，根据本发明的系统连续地操作以减少处理时间。